基于AVL BOOST的柴油機建模與性能仿真*

尹愛勇 潘金元 李俊陽 俞昌鎖

(1 銅陵職業技術學院 機電工程系,安徽 銅陵 244000;2 奇瑞汽車股份有限公司 汽車工程技術研發總院,安徽 蕪湖 241006)

鑒于全球環境危機和化石資源短缺,新型、清潔、可再生能源的應用在全球范圍內迅速開展。生物柴油以其低排放、可再生、可生物降解等諸多優點而被眾多企業與高校用于發動機新能源化的研究中。利用仿真對柴油機燃燒控制[1]、污染物排放[2]、低溫燃燒性能[3]和排放性能優化[4]等進行的研究顯著提升了發動機的綜合性能。黃昭明等[5]通過仿真對比了燃用純柴油和生物柴油發動機的燃燒和排放性能,結果表明燃用生物柴油時動力相當,而soot和NOx排放得到了顯著降低。陳昊天等[6]開發了柴油機多功能仿真軟件可以實現發動機穩態下的多種計算模型的仿真計算,通過一款中型柴油機的仿真計算與試驗數據比對驗證了軟件的計算精度和實時率。相關學者對生物柴油發動機的性能參數研究發現,通過改變噴油參數對發動機的經濟性和排放性進行優化,可以有效降低燃油消耗率[7-8]。利用生物柴油較高的十六烷值和高氧含量有助于提高發動機的熱效率,進而改善發動機的動力性[9-10]。向以生物柴油為主摻混不同體積的乙醇,發動機的燃油經濟性得到改善,soot排放得到顯著降低[11]。

一維仿真技術能夠很好地模擬發動機的運行狀態,縮短項目開發時間和減小項目開發費用,而被廣泛應用于發動機前期開發的各個階段。然而,一維仿真的精度受制于測試數據的精度,發動機試驗過程中很多測試數據又難以獲取,長期以來一維仿真精度高低取決于研發部門的數據積累和研究人員的仿真經驗[12-15]。因此,本研究通過搭建柴油機AVL BOOST一維模型,進行柴油機動力性與經濟性指標的仿真分析,并通過對應的臺架試驗驗證其仿真精度,并進一步評估所建立的一維模型的可靠性,旨在通過應用較高精度的一維模型為發動機前期開發提供性能仿真技術支持。

1 柴油機建模仿真和試驗方法

1.1 柴油機建模

作為發動機前期開發階段的一款熱力學仿真軟件,AVL BOOST集成的模擬程序能夠搭建整臺發動機的一維模型。仿真過程中采用VIBE燃燒放熱規律模型來模擬柴油機的燃燒過程。采用基于WOSCHNI關系式的三維缸內傳熱模型來模擬缸內瞬時傳熱和對流情況。結合能量守恒方程、連續性方程和動量方程對流場流動進行模擬分析。

根據發動機的基本結構參數,搭建柴油機AVL BOOST一維仿真模型,如圖1所示。圖中,SB1、SB2為兩個系統邊界,TC1為廢氣渦輪增壓器,CO1為空氣冷卻器,PL1為排氣集管,PL2為掃氣箱,C1～C4為四個氣缸,1～16為氣體管路,MP1～MP15為測量點。模型的參數輸入思路:首先將柴油機氣缸壓力曲線導入增壓燃燒模塊,通過計算得到燃燒起始角、燃燒持續時間和燃燒性能指標三個特性參數,然后,對進氣歧管室模型和進氣管模型的精度進行對比分析,最后,通過選擇進氣管模型計算分析進氣管對柴油機性能的影響。

圖1 柴油機AVL BOOST一維仿真模型

1.2 仿真計算模型

AVL BOOST軟件內置有多個燃燒放熱模型,可通過計算每次循環的總放熱量來計算每度曲軸轉角所釋放的熱量[16]。本文采用單韋伯模型。一般使用韋伯函數計算柴油機的放熱情況,結果與真實數據相差不大。

(1)

式中:x為燃燒開始消耗到某一時刻的燃油質量分數;α為曲軸轉角,(°);α0為氣缸內燃油混合物開始燃燒時曲軸所處的角度,(°);Δαc為氣缸內燃油燃燒時間,(°);m為氣缸內燃燒的質量;a為完全燃燒的韋伯參數,恒定為6.9。

AVL BOOST軟件提供有多個傳熱模型,用于計算傳熱系數,包括Woschni 1978模型、Lorenz模型及AVL 2000模型等。對于高溫循環的計算,通常選用Woschni 1978模型,計算公式如式(2)[8-9]:

(2)

式中:aw為傳熱系數;aWoschni為模型的傳熱系數;d為筒徑,m;p為壓力,Pa;T為絕對溫度,K;z為常數,z=14;din為掃氣口外連管的直徑,m;vin為掃氣口氣流的速度,m/s。

1.3 柴油機試驗方法

試驗臺架采用一臺帶直列、水冷、四沖程、電控直噴、高壓共軌、帶廢氣渦輪增壓的進氣中冷四缸柴油機。臺架用柴油機的主要性能參數如表1所示。

表1 臺架用柴油機的主要性能參數

發動機臺架試驗采用燃料的原材料為0#柴油和油脂原料合成的生物柴油,柴油和生物柴油的主要理化性質見表2。臺架試驗開始前,先檢查發動機各安裝螺栓、聯軸節及安裝防護罩等是否正常,并檢查冷卻水量是否符合要求。再起動發動機,先燃用柴油對發動機進行升溫,直到發動機冷卻水溫度達到60℃時,再將柴油切換為生物柴油,對生物柴油發動機的性能進行研究。

表2 柴油和生物柴油的主要理化性質

試驗用柴油機系統架構示意圖及其實驗現場,如圖2所示。試驗臺架所用測功機為洛陽凱邁CW260電渦流測功機,為保證油耗數據精確性,發動機的燃料消耗量采用AVL 735 S測量發動機燃油消耗量,配有753C油溫控制裝置,有效避免燃油溫度波動對燃燒過程的影響。缸壓曲線通過火花塞式缸壓傳感器(Kistler 6 115 B)測得,缸壓曲線采集及燃燒數據計算使用AVL Indicom燃燒分析儀,轉角信號由AVL 365C角標器輸出,利用AVL Indicom系統對燃燒過程示功圖進行數據記錄和保存。為實時監控發動機排放特性,使用HORIBA MEXA-ONE-RS-EGR氣體分析儀對發動機廢氣排放量進行采集和分析。其中,CO/CO2采用不分光紅外(NDIR)檢測方法,利用不同氣體分子的近紅外光譜選擇吸收特性,利用氣體濃度與吸收強度關系來鑒別氣體組分并確定濃度。而NOx測量則采用化學發光法(CLD),根據化學發光強度或發光總量來確定物質組分含量。此外,利用氫火焰離子化檢測器(FID)檢測THC總濃度。

發動機開發過程中,容積效率是指發動機在進氣沖程缸內吸入混合氣氣體體積與氣缸容積之比,從數值上表達了發動機的吸氣能力。容積效率對發動機動力性能具有決定性影響,通常容積效率越高,動力性能越好。因此,本文采用SENSYCON Sensy空氣流量計對進氣流量進行測量,用于試驗過程容積效率的計算。

(a)系統架構示意圖

(b)實驗現場圖

2 仿真結果與分析

2.1 仿真模型的準確性檢驗

發動機動力性指標包括功率P、扭矩T、容積效率ηV、排氣壓力po和進氣歧管壓力pi等,經濟性指標主要為燃油消耗率BSFC。本研究以柴油機額定轉速為參考,選定1 000～3 220 r/min作為柴油機的試驗轉速,發動機負荷選取外特性工況。通過分析選定試驗轉速對柴油機的動力性和經濟性的影響,來評估各指標的變化規律;再通過仿真值與試驗值的比對,來驗證本文所建立的柴油機一維仿真模型的精度。柴油機轉速n對其動力性和經濟性指標的影響,如圖3所示。

圖3 柴油機轉速對其關鍵參數的影響

圖3(a)為柴油機轉速對容積效率的影響,從圖中可以看出,在外特性負荷工況下,隨轉速升高,單位時間內進氣量增大,容積效率曲線呈現出先上升后下降的變化趨勢,當進氣量超過一定值后,容積效率逐漸下降。主要原因在于當發動機轉速由1 000 r/min提升至1 600 r/min過程中,由于增壓器逐漸介入,增壓能力提升,且增壓器系統效率逐漸升高,有利于容積效率的提升。但進一步提高轉速,進氣量增加后,氣門處氣體流速升高,局部節流阻力損失增大,限制了容積效率的提升。相比于1 600 r/min時,發動機在3 220 r/min時容積效率降低約8%。同時,在本文所選試驗轉速工況范圍內,由于容積效率逐步提升,發動機功率逐漸增大,當柴油機的轉速達3 220 r/min,其功率達到了90 kW,這也與試驗用柴油機的額定功率(額定轉速)相當,如圖3(b)所示。由于渦輪增壓器在整個試驗所選工況范圍內做功能力逐步提升,隨轉速升高,進氣流量增大,排氣流量相應增加,導致排氣渦輪前壓力逐漸單調升高。進氣歧管壓力由于渦輪增壓器增壓能力提升而逐漸升高,但當轉速提升至2 500 r/min后進氣歧管壓力升高趨勢減緩,主要問題在于受壓氣機葉輪工作效率限制,進氣壓力無法持續升高,但由于噴油量的增加,排氣動能升高,以上原因導致了排氣壓力與進氣歧管壓力變化趨勢的差異,如圖3(c)、(d)所示。

圖3(e)為不同轉速條件下發動機扭矩水平對比。從圖中可以看出隨轉速升高,發動機扭矩曲線呈先升高后降低的趨勢,且在1 600～2 500 r/min轉速范圍內,發動機扭矩達到最大,且呈平臺型狀態。這是由于,通常隨發動機轉速增大,進氣量增加,渦輪轉速升高,進氣壓力相應升高,但為了保證發動機機械結構安全性,需要采用廢氣旁通的形式降低渦輪轉速,使得發動機扭矩被限制在一定范圍。從圖3(f)可以看出,有效燃油消耗率變化趨勢與容積效率變化趨勢存在一定對應關系,發動機有效燃油消耗率隨轉速升高逐漸降低,并在中等轉速條件下達到最小值,此后隨轉速升高,有效燃油消耗率快速升高。這是由于,中等轉速以下工況,隨轉速升高,增壓壓力提升,容積效率略有升高,且增壓器對排氣功的回收能力逐漸改善。但當轉速升高到一定水平,繼續提高轉速,一方面進氣流量及壓力增大,氣門處節流損失增加。另一方面,轉速升高,活塞、凸輪軸等運動件摩擦損失升高。以上因素導致中等以上轉速條件下,隨轉速升高,有效燃油消耗率顯著增加。

為進一步評估研究中所建立模型的準確性,圖4對比分析了模型仿真結果與試驗結果差值。從圖中可以看出,模型輸出的容積效率ηV、功率P、排氣壓力po、進氣歧管壓力pi、扭矩T和燃油消耗率BSFC與試驗臺架試驗值相符,誤差基本保持在5%范圍內。通過上述規律性與精度分析,反饋了本文所搭建的柴油機AVL BOOST一維模型具有較好的可信度,滿足生物柴油經濟性的仿真分析的需要。采樣點仿真值與實驗值的相對誤差△統計,如圖4所示。產生相對誤差的原因主要是一維仿真過程中,發動機換熱系數、燃燒模型的參數等都是根據大量的數據經驗所得,一維模擬的管路結構、尺寸、位置是參考實際情況設置,但會與真實情況存在一定的誤差,同時試驗測試在采集數據和數據預處理過程中也存在一定誤差,以上原因會引起仿真值與試驗值存在偏差的情況。

圖4 采樣點仿真值與實驗值的相對誤差統計

2.2 生物柴油經濟性分析

對柴油機的經濟性而言,可以從燃油消耗率BSFC和BSEC兩個指標的比較來判斷。在此,基于標定模型計算了生物柴油的經濟性,發動機在相同功率下運行時,柴油和生物柴油的經濟性指標分別用BSFC和BSEC表示,其中BSEC可通過下式進行轉換。

(3)

式中,BSEC為計算有效燃油消耗率,g/(kW·h);BSFC為試驗有效燃油消耗率,g/(kW·h);ρB為生物柴油的密度,g/cm3;油的HVB為生物柴體積低熱值,MJ/cm3,HVB取38.8;HMD為柴油的重量分析低熱值,MJ/g,HMD取42.845。

基于標定仿真模型對燃用柴油和生物柴油進行仿真分析,得到試驗轉速范圍內燃用柴油和生物柴油BSFC的仿真值,然后利用上式計算出生物柴油的BSEC。發動機轉速對燃用柴油和生物柴油的BSFC和BSEC的影響,如圖5所示。

圖5 發動機轉速對燃用柴油和生物柴油的BSFC和BSEC的影響

由圖5可知,生物柴油的仿真值BSFC高于柴油仿真值,這是由于生物柴油的熱值較低;而生物柴油的計算值BSEC低于柴油,這歸因于生物柴油的高熱效率。生物柴油分子中含有氧元素,由于其自供氧特性,單位質量燃料所含有的熱量值低于傳統柴油燃料,因此,從能量平衡的角度來講,發動機燃用生物柴油時的有效燃油消耗率高于燃用純柴油燃料情況。此外,由于試驗用柴油與生物柴油十六烷值較為相近,噴霧高溫條件下自燃傾向差異較小,在噴射策略不變的情況下,不同轉速工況下燃用柴油和生物柴油時有效燃油消耗率差值基本相當,主要取決于兩種燃料單位質量的低熱值的差異。

3 結論

本研究搭建了柴油機AVL BOOST一維模型,應用VIBE燃燒放熱規律模型、WOSCHNI三維缸內傳熱模型以及流體力學的三大方程仿真,分析了柴油機轉速對動力性和經濟性的影響。通過仿真結合試驗驗證了柴油機AVL BOOST一維模型準確性,并分析了柴油機轉速對動力性和經濟性的影響機理。進一步應用該模型預測了燃用柴油和生物柴油發動機的BSFC,分析了發動機轉速對燃用柴油和生物柴油的BSFC和BSEC的影響,計算了生物柴油的BSEC。主要結論如下:

1)研究中基于仿真模型結果與試驗結果進行對比分析,模型輸出的容積效率ηV、功率P、排氣壓力po、進氣歧管壓力pi、扭矩T和燃油消耗率BSFC與試驗臺架試驗值相符,誤差基本保持在5%范圍內,表明本文所建立的一維模型具有較好的可信度,能夠滿足生物柴油經濟性的仿真分析需要。

2)基于研究中所建立的一維仿真分析模型,分析了柴油機轉速對動力性和經濟性的影響機理。在外特性負荷工況下,隨轉速升高,單位時間內進氣量增大,容積效率曲線呈現出先上升后下降的變化趨勢,當進氣量超過一定值后,容積效率逐漸下降。相比于1 600 r/min時,發動機在3 220 r/min時容積效率降低約8%。

3)在本文所選試驗轉速工況范圍內,由于容積效率逐步提升,發動機功率逐漸增大,當柴油機的轉速達3 220 r/min,其功率達到了90 kW,這也與試驗用柴油機的額定功率相當。

4)由于渦輪增壓器在整個試驗所選工況范圍內做功能力逐步提升,隨轉速升高,進氣流量增大,排氣流量相應增加,導致排氣渦前壓力逐漸單調升高。但由于壓氣機與渦輪機工作特性的不同,排氣壓力與進氣歧管壓力變化趨勢存在差異。

5)試驗所選工況條件下,隨轉速升高,發動機扭矩曲線呈先升高后降低的趨勢,且在1 600～2 500 r/min轉速范圍內,發動機扭矩達到最大,且呈平臺型狀態。同時,發動機有效燃油消耗率隨轉速升高逐漸降低,并在中等轉速條件下達到最小值,此后隨轉速升高,有效燃油消耗率快速升高。